In een toekomst gebouwd op kwantumtechnologieën, vliegtuigen en ruimteschepen kunnen worden gevoed door het momentum van licht. Kwantumcomputers zullen complexe problemen, variërend van chemie tot cryptografie, sneller en energiezuiniger oplossen dan bestaande processors. Maar voordat deze toekomst kan plaatsvinden, we hebben heldere, op aanvraag, voorspelbare bronnen van kwantumlicht.

Tegen dit doel, een team van materiaalwetenschappers van Stanford University, natuurkundigen en ingenieurs, in samenwerking met laboratoria van Harvard University en de University of Technology Sydney, hebben zeshoekig boornitride onderzocht, een materiaal dat helder licht kan uitstralen als een enkel foton - een kwantumeenheid van licht - tegelijk. En het kan dit bij kamertemperatuur doen, waardoor het gemakkelijker te gebruiken is in vergelijking met alternatieve kwantumbronnen.

Helaas, hexagonaal boornitride heeft een belangrijk nadeel:het straalt licht uit in een regenboog van verschillende tinten. "Hoewel deze emissie mooi is, de kleur kan momenteel niet worden gecontroleerd, " zei Faria Hayee, de hoofdauteur en een afgestudeerde student in het lab van Jennifer Dionne, universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek aan Stanford. "We wilden de bron van de meerkleurige emissie weten, met als uiteindelijk doel controle over de emissie te krijgen."

Door een combinatie van microscopische methoden te gebruiken, de wetenschappers waren in staat om de kleurrijke emissie van het materiaal te herleiden tot specifieke atoomdefecten. Een groep onder leiding van co-auteur Prineha Narang, assistent-professor computationele materiaalkunde aan de Harvard University, ontwikkelde ook een nieuwe theorie om de kleur van defecten te voorspellen door rekening te houden met hoe licht, elektronen en warmte interageren in het materiaal.

"We moesten weten hoe deze defecten zich koppelen aan de omgeving en of dat kan worden gebruikt als een vingerafdruk om ze te identificeren en te beheersen, " zei Christopher Ciccarino, een afgestudeerde student in het NarangLab aan de Harvard University en co-auteur van het artikel.

De onderzoekers beschrijven hun techniek en verschillende categorieën defecten in een paper gepubliceerd in het 24 maart nummer van het tijdschrift Natuurmaterialen .

Multischaal microscopie

Het identificeren van de defecten die aanleiding geven tot kwantumemissie is een beetje als zoeken naar een vriend in een drukke stad zonder mobiele telefoon. Je weet dat ze er zijn, maar je moet de hele stad scannen om hun exacte locatie te vinden.

Door de mogelijkheden van een unieke, gemodificeerde elektronenmicroscoop ontwikkeld door het Dionne-lab, konden de wetenschappers de lokale, structuur op atomaire schaal van hexagonaal boornitride met zijn unieke kleuremissie. In de loop van honderden experimenten, ze bombardeerden het materiaal met elektronen en zichtbaar licht en legden het patroon van lichtemissie vast. Ze bestudeerden ook hoe de periodieke rangschikking van atomen in hexagonaal boornitride de emissiekleur beïnvloedde.

"De uitdaging was om de resultaten te onderscheiden van wat een erg rommelig kwantumsysteem lijkt te zijn. Slechts één meting vertelt niet het hele plaatje, "zei Hayee. "Maar samen genomen, en gecombineerd met theorie, de gegevens zijn zeer rijk en bieden een duidelijke classificatie van kwantumdefecten in dit materiaal."

Naast hun specifieke bevindingen over soorten defectemissies in hexagonaal boornitride, het proces dat het team heeft ontwikkeld om deze kwantumspectra te verzamelen en te classificeren, kan, op zichzelf, transformatief zijn voor een reeks kwantummaterialen.

"Materialen kunnen worden gemaakt met bijna atomaire precisie, maar we begrijpen nog steeds niet volledig hoe verschillende atomaire rangschikkingen hun opto-elektronische eigenschappen beïnvloeden, " zei Dionne, die ook directeur is van de fotonica bij het Thermodynamic Limits Energy Frontier Research Center (PTL-EFRC). "De aanpak van ons team onthult lichtemissie op atomaire schaal, op weg naar een groot aantal opwindende kwantum optische technologieën."

Een superpositie van disciplines

Hoewel de focus nu ligt op het begrijpen welke defecten aanleiding geven tot bepaalde kleuren van kwantumemissie, het uiteindelijke doel is om hun eigenschappen te beheersen. Bijvoorbeeld, het team voorziet een strategische plaatsing van kwantumstralers, en hun emissie in- en uitschakelen voor toekomstige kwantumcomputers.

Onderzoek op dit gebied vereist een multidisciplinaire benadering. Dit werk bracht materiaalwetenschappers samen, natuurkundigen en elektrotechnici, zowel experimentatoren als theoretici, waaronder Tony Heinz, hoogleraar toegepaste natuurkunde aan Stanford en fotonenwetenschap aan het SLAC National Accelerator Laboratory, en Jelena Vučkovic, de Jensen Huang Professor in Global Leadership aan de School of Engineering.

"We waren in staat om de basis te leggen voor het creëren van kwantumbronnen met controleerbare eigenschappen, zoals kleur, intensiteit en positie, "zei Dionne. "Ons vermogen om dit probleem vanuit verschillende invalshoeken te bestuderen, toont de voordelen aan van een interdisciplinaire benadering."